TEM多分量响应模拟及曲线特征分析

武军杰，刘 彬，杨 毅，张 杰，王兴春

(1.长安大学 地质工程与测绘学院，西安 710054；2.中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所，廊坊 06500)

0 引言

定源回线装置瞬变电磁法主要用于详查阶段，能准确地确定目标地质体的埋深、边界等几何参数。定源回线装置是在地面布设边长数百米的矩形发射回线，发射框始终固定不动，测量点可以位于发射框内也可以位于发射框外。测点位于发射框内称为定源内回线装置(主要针对目标体产状较缓)，测量点位于发射框外称为定源外回线装置(主要针对目标体产状较陡)。定源回线装置可以观测瞬变响应三个分量，有利于获得更多的目标体几何参数信息。由于发射源可以固定放置于靠近回线边的某个位置，可以使用功率较大的发射装置。因此，定源回线场源具有发射磁矩大，场较为均匀及随距离衰减慢等特点，适合于深部矿产勘查工作[1-2]。

在澳大利亚、加拿大等国家，定源回线装置为瞬变电磁法地面最主要的野外数据采集装置。在应用定源回线装置进行瞬变电磁野外数据采集时，大多根据研究目标不同而进行框内或框外测量。当目标体近于水平(产状<20°)时，采用框内方式测量；当目标体产状比较陡倾时，采用框外方式测量。

目前多数商品化瞬变电磁仪器可实现三分量数据采集，但是缺少相应的解释方法。目前国内、外研究者对于定源回线瞬变电磁法研究主要为垂直分量[3-7]，多分量的相关研究较少。多分量综合解释可以获得更加丰富的信息，为综合解释提供更可靠的依据，是提高定源回线TEM资料处理解释水平和方法应用效果的重要研究方向[8-9]。

1 正演模拟及特征分析

为总结低阻体不同分量瞬变响应的曲线特征，建立系列理论模型进行正演模拟(正演软件选择EM Vision)。首先选择定源回线装置，建立均匀半空间模型，模拟发射框内不同位置背景场的三分量特征；其次在均匀半空间中建立不同倾角三维薄板低阻体，模拟低阻薄板的瞬变响应三分量曲线。

1.1 算例一 均匀半空间

均匀半空间电阻率为1 000Ω·m，发射框1 000 m×1 000 m。发射框内测线布置如图1所示。三条测线(L-300、L0、L300)长度为800 m，线距为300 m，点距为50 m，起止点号均为-400～400。

图1 发射框及测点平面布Fig．1 Tx loop and survey lines

图2为L-300、L0、L300测线三分量剖面曲线对比图。可以看出，X分量特征为左(西)半部分为负值，右(东)半部分为正值(这与X分量定义的正方向有关)，且关于发射框中心点对称(X型)；Y分量剖面曲线在发射框主剖面为零值，在发射框上(北)半部分为正值，下(南)半部分为负值；Z分量剖面曲线主剖面响应值最强，发射框内均为正值。因此，对于定源回线装置，不同分量的曲线特征各不相同，均为装置引起。

1.2 算例二 均匀半空间中的水平低阻薄板

均匀半空间电阻率为1 000 Ω·m，发射框及测线布置同上例。低阻薄板电导率为50 S，薄板水平，尺寸为400 m×600 m，理论厚度为零，埋深为100 m。三测线分别位于低阻体的外部、边部及靠近中心位置，如图3所示。

图4为L-300、L0、L300测线三分量瞬变响应剖面曲线对比图。图4中三种颜色分别代表不同测线。另外，将曲线按照时间采样窗口分为三组分别绘制，使得曲线在早、中、晚期的不同特征更突出地表现出来。

首先对于X分量曲线，早期道中L-300线剖面曲线关于发射框中心对称，无明显异常显示。L0和L300线曲线在异常体的边界(-100、300)位置出现明显异常显示，在(0,0)位置附近也出现异常，并随时间道增大逐渐回归至零值附近。中期道和晚期道中L0和L300线曲线形态均为左负右正(S型)，零值点逐渐对应于异常中心位置(100)，并且正负二峰值对应薄板两边界位置附近。L-300线中晚期道曲线为左负右正(X型)。可以看出，X分量对于异常体的边界反映灵敏，早期道曲线异常形态是变化的，中期道开始曲线形态趋于稳定。L300线位置更加靠近板体中心，因此其值高于L0线。

图2 不同测线瞬变响应三分量剖面曲线对比图Fig．2 Three component TEM curves of different survey lines

图3 模型及测线平面布置图Fig．3 Model and survey lines(a)模型断面图;(b)模型平面图

图4 水平薄板模型不同测线三分量瞬变响应曲线对比图Fig．4 Three component TEM curves of different survey lines with horizontal plat model

其次对于Y分量曲线，L300线曲线为正值，L0、L-300线均为负值。这是由于Y分量的定义引起的(Y分量定义向北为正方向)。L300测线在-100～300点之间出现正异常，L-300、L0测线负异常，这与测线相对于板体中心位置有关。L300测线为正异常说明其位于板体中心北面，L-300、L0线出现负异常说明位于板体中心的南面，且由于L0线靠近板体边缘其值最强。

对于Z分量曲线，L-300曲线基本无异常显示。L0、L300曲线在-100～300测线段均异常明显，异常中心对应于板体中心位置，异常对称显示出低阻薄板的水平状态。L300线曲线值高于L0线，这是因为该测线更加靠近板体中心。相对于其他两分量，Z分量的异常形态从早期到晚期是一致的。

1.3 算例三 均匀半空间中的倾斜低阻薄板

均匀半空间电阻率为1 000 Ω·m，发射框及测线布置同上。低阻薄板电导率为50 S，薄板倾角为30°，尺寸为400 m×600 m，顶界面埋深为100 m,位置如图5所示。

图6为L-300、L0、L300测线三分量瞬变响应剖面曲线对比图。对于X分量曲线，L-300线剖面曲线无明显异常显示。L0和L300线早期道曲线在异常体的范围内出现畸变，为异常显示。中期道和晚期道中L0和L300线曲线形态均为左负右正(S型)，零值点逐渐对应于异常中心位置，并且正负二峰值对应薄板两边界位置附近，正峰值相对于负峰值较陡，说明薄板向小号点倾斜。对于Y分量曲线，L300线曲线为正值，L0、L-300线均为负值。L300测线为正异常说明其位于板体中心北面，L-300、L0线出现负异常说明位于板体中心的南面，且由于L0线靠近板体边缘其值最强，Y分量曲线上也可以反映出板体的倾斜状态。对于Z分量曲线， L0、L300曲线异常明显，异常中心对应于薄板中心位置，且异常左面缓，右面陡，显示出低阻薄板向小号点倾斜。因此，对于倾斜低阻板体，三个分量的综合信息能够清晰地反映板体的实际位置及板体的倾斜状态。

1.4 算例四 均匀半空间中的垂直低阻薄板

均匀半空间电阻率为1 000 Ω·m，发射框及测线布置同上。低阻薄板电导率为50 S，薄板垂直，尺寸为400 m×600 m，顶界面埋深为100 m，位置如图7所示。

图8为均匀半空间中垂直低阻薄板模型不同测线三分量瞬变响应剖面曲线对比图。黑色线条为L300线的响应曲线，可以看出L-300线无明显异常显示。L0线和L300线X分量在100点～200点早、中、晚均有异常显示，与板体位置基本一致。而Y分量曲线仅在晚期道略有反应，但幅值很小。Z分量曲线在早、中期道曲线中无明显异常，在晚期道有所反应。可以看出，由于直立板体位于发射框内，与发射磁场的耦合不佳，致使在剖面曲线上异常反映并不明显。因此，在实际工作中对于产状较陡的板状异常体，按照前文中介绍的原则，应在框外测量以获得最佳耦合关系及异常显示。

图5 模型及测线平面布置图Fig．5 Model and survey lines graph(a)模型断面图;(b)模型平面图

图6 倾斜薄板模型不同测线三分量瞬变响应曲线对比图Fig．6 Three component TEM curves of different survey lines with inclined plate model

图7 模型及测线平面布置图Fig．7 Model and survey lines graph(a)模型断面图;( b)模型平面图

图8 垂直薄板模型不同测线三分量瞬变响应曲线对比图Fig．8 Three component TEM curves of different survey lines with vertical plat model

2 结论

通过系列模型三分量正演模拟计算，可以初步总结以下基本结论：

1)Z分量异常形态稳定，不同时间道异常形态一致，其异常中心对应于异常体的中心。X、Y分量对于边界反映更加灵敏，在早期道中异常形态随时间道逐步变化，从中期道开始异常形态逐步稳定。

2)X分量瞬变响应曲线可以反映地质体边界，如算例中的薄板模型，X分量正负两个峰值反映了板状体两个边界，幅值大小变化反映了板状体的倾向。

3)Y分量的曲线形态能够反映异常体中心与测线的位置关系。

4)多分量综合解释可以更准确地反映地下异常体的位置、边界范围等几何参数，为实际资料解释提供依据。

5)发射框应根据目标地质体的产状来布设以获得最佳耦合，进而选择在框内、框外测量。

通过以上分析及结论可知，在实际TEM勘查中应尽量布置面积性的工作，而且尽可能测量三个分量，这样可以获得更加丰富的目标地质体信息，准确判断地质体的位置，避免旁侧影响。

参考文献：

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